北天山博樂盆地南緣勒塔干褶皺晚第四紀構造變形1

胡宗凱 李 安 原浩東 苗樹清 楊曉平

1）地震動力學國家重點實驗室, 中國地震局地質(zhì)研究所, 北京 100029

2）長安大學地質(zhì)工程與測繪學院, 西安 050011

引言

印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠程效應使晚新生代以來中亞地區(qū)發(fā)生了劇烈的變形，并導致天山的再度隆升和活化（Molnar 等，1975；Tapponnier 等，1979；Hendrix 等，1994；Yin 等，1998）。天山南側為塔里木地塊，北側為哈薩克地塊和準噶爾地塊，各地塊之間現(xiàn)今海拔高度差別極大，不同地貌單元之間的轉換部位地震頻發(fā)，這些資料表明天山地區(qū)具有強烈的構造活動性（圖1）。地球科學工作者針對天山地區(qū)斷層和褶皺活動性、天山深部構造和現(xiàn)今地殼運動進行了研究（Molnar 等，1984；Avouac 等，1993；Abdrakhmatov 等，1996；Burchfiel 等，1999；Thompson 等，2002；Hubert-Ferrari 等，2007；沈軍等2008；Yang 等，2008；Makarov 等，2010；楊曉平等，2010；Campbell 等，2013；Stockmeyer 等，2014，2017；Saint-Carlier 等，2016；Grützner 等，2017；Rizza 等，2019；Wang 等，2020a），天山地區(qū)主要活動斷裂由山前東西走向逆沖斷層褶皺帶、北西-南東右旋走滑斷層和北東-南西左旋走滑斷層組成（Hubert-Ferrari 等，2007；Charreau 等，2008，2020；Campbell 等，2013；Rizza 等，2019；Wu 等，2020），如圖1 所示。GPS 速度場顯示西天山南北向縮短速率約為20 mm/a，占據(jù)了印度板塊與歐亞板塊之間縮短速率的20%。天山地區(qū)南北向縮短速率不均一，呈向東降低的趨勢。在東天山，即吐魯番盆地的位置，南北向縮短速率降為5 mm/a（Burchfiel 等，1999；Zubovich 等，2010；Wang 等，2020a）。在天山兩側和天山內(nèi)部，大部分的逆沖斷層為東西走向，但在博樂盆地-博羅可努山-吐魯番盆地造山帶內(nèi)，發(fā)育許多北西西-南東東走向的逆沖斷層或逆走滑斷層，如庫松木楔克斷層、包爾圖斷層、庫米什斷層（Wang 等，2020b；Ren 等，2021）。部分學者（Avouac 等，1993；Yin 等，1998；Yang 等，2008）認為天山應變主要集中在天山南、北側山前逆沖斷層褶皺帶上，也有部分學者（Thompson 等，2002；Huang 等，2015；Charreau 等，2017）認為天山內(nèi)部逆沖斷層和走滑斷層在吸收天山應變中起了相當大的作用。雖然大部分7 級以上地震（1902 年M81/4阿圖什地震、1906 年M7.7 瑪納斯地震、1911 年MW8.0 克敏地震、1885 年M6.9Belovodskoe 地震）發(fā)生在天山南、北側的逆沖斷層褶皺帶或相鄰的山脈中，但更高頻率的6.0 級左右中強地震（2017 年MW6.3 精河地震）和大地震（1812 年M8.0 尼勒克地震）發(fā)生在天山內(nèi)部，這表明天山內(nèi)部也吸收了許多的地殼應變。

圖1 天山地區(qū)活動構造Fig. 1 Active tectonics map in the Tianshan area

本文主要研究對象為天山北麓博樂盆地南緣庫松木楔克斷裂東段的斷層相關褶皺-勒塔干褶皺帶，如圖2（a）所示。庫松木楔克斷裂西起賽里木湖，沿著庫松木楔克山呈弧狀向東延伸。東段庫松木楔克斷層可分為3 個近平行的逆沖斷層和3 個近平行的背斜，分別為精河南斷層、查汗圖斷層、永集斷層、精河南背斜、勒塔干背斜和阿拉沙克背斜（圖2（b））。研究庫松木楔克斷層的活動性對地震災害評估具有重要意義，尤其是該斷層緊鄰著名的風景區(qū)賽里木湖，且距博樂市和精河縣僅50 km。

圖2 博樂盆地和庫松木楔克東段斷層展布圖Fig. 2 Fault distribution of Bole basin and eastern segment of Kusongmuxieke fault

為評估勒塔干斷層縮短速率，在勒塔干東段沿迪里克河使用無人機獲得了高精度的數(shù)字高程模型（DEM）影像。利用獲得的DEM 數(shù)據(jù)和野外實地調(diào)查資料，得到勒塔干褶皺的地殼縮短量。結合相鄰地區(qū)洪積扇的廢棄年齡可推測迪里克河不同期次洪積扇的廢棄年齡。綜合以上數(shù)據(jù)，可確定勒塔干斷層晚第四紀滑動速率。

1 構造背景

博樂盆地位于中國新疆境內(nèi)北天山西北部。天山北側是穩(wěn)定的哈薩克地塊和準噶爾地塊，南側是相對穩(wěn)定的塔里木地塊，西南側是快速變形的帕米爾高原。幾個古生代的構造板塊拼接碰撞組成天山山脈，且在晚新生代由于印度板塊和歐亞板塊的碰撞再次活化（Molnar 等，1975；Tapponnier 等，1979；Avouac 等，1993；Hendrix 等，1994；Allen 等，1999）。裂變徑跡結果顯示天山再次活化的年齡大概在漸新世到中新世之間。之后，變形逐漸向天山南、北側傳遞，5～7 Ma 時天山構造變形傳遞到了拜城盆地和準噶爾盆地南緣（Sun 等，2004，2009；Zhang 等，2018）。天山地貌的典型特征是發(fā)育一系列東西走向的山脈和盆地，如伊犁盆地，吐魯番盆地，博樂盆地，盆山邊界往往是中高角度、錯斷基底卷入的逆沖斷層（Ghose 等，1998；Thompson 等，2002；Makarov 等，2010）。除天山內(nèi)部的逆沖走滑斷層外，天山南、北側還發(fā)育大量的薄皮逆沖推覆構造（Avouac 等，1993；鄧起東等，2000）。

勒塔干背斜位于天山北麓博樂盆地南緣。三角形的博樂盆地北側為阿拉套南緣斷裂，東側為博羅可努-阿齊克庫都克斷裂，南側為庫松木楔克斷裂（圖2（a））。文獻和儀器記錄顯示，博樂盆地內(nèi)未發(fā)生過大于7 級的地震，僅有4 個6.0～6.9 級中強地震（1765 年M6.5 地震、1958 年M6.5 地震、1962 年M6.2 地震和2017 年MW6.3 精河地震）和一些小震記錄。2017 年精河MW6.3 地震發(fā)震構造為長度20 km 的精河南斷層和精河南褶皺，該次地震僅破裂了精河南斷層的下斷坡，最大滑移量為0.25 m（Gong 等，2019；Hu 等，2021）。博羅可努-阿齊克庫都克斷裂晚第四紀走滑速率為2～4 mm/a（Campbell 等，2013；Hu 等，2021）。阿拉沙克背斜長約10 km，核部寬約3 km。永集斷層陡坎長約10 km，其晚更新世以來永集斷層的垂直速率為0.23～0.25 mm/a（陳建波等，2007）。

2 洪積扇褶皺變形測量與斷層滑動量計算

為獲得勒塔干背斜的變形信息，對南、北向流經(jīng)勒塔干褶皺東部的迪里克河不同期次的洪積扇進行了劃分和測量。研究工作包括識別和測繪不同期次的洪積扇、使用DJI Phantom 4 RTK 無人機獲取洪積扇地形數(shù)據(jù)、利用PIX 4D 程序和無人機數(shù)據(jù)生成高分辨率的數(shù)字高程模型影像，精度為5.52 cm/pix。

（1）洪積扇期次的劃分

洪積扇期次劃分需利用洪積扇拔河高度和洪積扇面上的河道密度、深度。廢棄年代越久的洪積扇，其拔河高度越大，上面發(fā)育的河流越多，且河流的下切深度越大。勒塔干背斜東段迪里克河兩岸的洪積扇分布如圖3 所示，圖中藍色實線表示褶皺剖面線，黑色虛線表示橫跨多期洪積扇地形剖面線，白色實線表示斷層陡坎剖面線。

圖3 勒塔干背斜東段洪積扇分布Fig. 3 Alluvial fans distributions in the eastern segment of Latgan anticline

（2）洪積扇面褶皺變形剖面的繪制

在Arcgis 中獲取褶皺變形量，利用獲得的DEM 數(shù)據(jù)提取。每個數(shù)據(jù)點包括該位置的經(jīng)、緯度和高程信息，兩點之間的距離＜6 m。將提取的數(shù)據(jù)點投影到垂直于褶皺軸的方向上得到活動褶皺的變形曲線，從而計算褶皺變形量，并利用洪積扇的海拔高度減去河床海拔高度消除初始洪積扇坡度的影響（Lavé等，2000）。在本研究中，褶皺構造變形量主要通過洪積扇礫石頂部的變形量估算。使用洪積扇表面表示變形量和速率的原因如下：①假設洪積扇表面在廢棄前與現(xiàn)代河床平行，可將洪積扇表面與現(xiàn)代河床進行比較，得出其變形；②對比天山內(nèi)部洪積扇研究結果，確定迪里克河附近洪積扇廢棄年齡。

（3）斷層滑動量計算

本文利用地層產(chǎn)狀和洪積扇褶皺特征計算斷層滑動量，即使用Thompson 等（2002）提出的斷彎褶皺、鏟狀褶皺的計算公式計算斷層滑動量，按照Thompson 等（2002）的方法，從高精度DEM 中提取垂直斷層陡坎的地形剖面，并計算斷層陡坎高度。

3 勒塔干活動斷層與褶皺的變形

3.1 背斜區(qū)洪積扇分布特征

勒塔干背斜是長20 km、寬2.5 km 的近東西走向的斷層相關褶皺，背斜南翼出露黑色的西域礫巖。在該褶皺北翼，西域礫巖被剝蝕，新近系上新統(tǒng)的黃色泥巖出露。迪里克河由南向北流經(jīng)勒塔干背斜東段，其發(fā)生褶皺變形的洪積扇記錄了褶皺變形。洪積扇從新到老可被劃分為T1～T5 期次，其中T2、T3 和T4 洪積扇的基座為上新統(tǒng)泥巖（圖4）。T1 洪積扇僅保存勒塔干背斜北翼，且大部分分布在迪里克河左岸，右岸的T1 寬約30 m、長約500 m。T2 洪積扇沿迪里克河兩側分布，特別是在勒塔干背斜以南的迪里克河上游。T3洪積扇僅保存于勒塔干背斜北翼，高出T2 洪積扇3～5 m。T4 洪積扇由礫石組成，礫石覆蓋于泥巖之上，T4 洪積扇并不單單保存在褶皺區(qū)，在勒塔干褶皺南側保留了1 個寬20 m、長800 m 的條帶狀T4 洪積扇。T5 洪積扇拔河高度最大，約為35 m，迪里克河左、右岸均有零星分布，其洪積扇上的河流下切深度較其他洪積扇深。需注意的是，勒塔干背斜地形為西側高、東側低，地形坡向東。

圖4 勒塔干背斜及北翼逆斷層Fig. 4 Lagtan anticline and thrust fault in the northern limb

3.2 勒塔干斷層下斷坡滑移量

如圖3、圖5 所示，殘存的T1、T3、T5 洪積扇分布連續(xù)性差，且分布面積有限，并不能通過這三期洪積扇確定褶皺活動的變形歷史。T2 洪積扇分布在背斜的核部和南、北側，但T2 洪積扇面褶皺變形輕微，褶皺變形不能較好地識別。T4 洪積扇在背斜南翼、核部均有分布，較好地記錄了勒塔干背斜的褶皺變形。該洪積扇在背斜核部殘存約1 500 m（沿南北向），相對河床的地表坡度為0.03°，這表明背斜核部的T4 洪積扇與河床近平行。背斜區(qū)的T4 洪積扇可分為南、北段，拔河高度分別為25.2、26.0 m，由此得到背斜頂部T4 洪積扇面的拔河高度為（25.6±0.4）m。后翼（南翼）的T4 洪積扇水平長度約為1 000 m，相對河床的地表坡度為 0.56°。T4 洪積扇面褶皺的后翼（南翼）平均拔河高度為18.0 m，最低位置拔河高度約為17.1 m，由此得到褶皺后翼（南翼）拔河高度為（17.5±0.5）m。褶皺后翼與褶皺頂部高度差為（8.1±0.6）m。

圖5 勒塔干褶皺東段地貌剖面圖和斷彎褶皺、鏟狀斷層后翼抬升動力學模型圖Fig. 5 Geomorphic profile of eastern segment of Latgan fold and back limb uplift dynamic model of fault-bend fold and listric fault

平緩且與河床近水平的褶皺頂部、距離較長的褶皺后翼是鏟狀褶皺的典型特征（Hu 等，2015；Zhong 等，2020）。勒塔干斷層下斷坡的傾角可由上斷坡的斷層傾角和有關拔河高度確定。野外斷層露頭揭露了勒塔干斷層的上斷坡傾角為55°，通過公式（h1/sinα1=h2/sinα2）計算得到下斷坡的傾角為35°，進而通過鏟狀斷層后翼抬升動力學模型計算得到自T4 洪積扇廢棄以來勒塔干斷層的滑動量為（33.0±2.6）m（圖5（e））。

3.3 勒塔干斷層近地表的滑移量

勒塔干斷層錯斷了迪里克河出水口處T1、T3、T5 洪積扇。在T1 洪積扇上可識別出（2.3±0.3）m 高的斷層陡坎。結合斷層55°的傾角，2.3 m 垂直斷層位錯揭示了2.5～3.4 m 的斷層滑動量，這個滑動量很可能揭示了最后一次地震位錯量。T3 洪積扇上斷層陡坎的高度為（16.9±0.2）m，較大的斷層陡坎高度表明T3 洪積扇自被廢棄以來經(jīng)歷了多次地表破裂事件，利用55°的斷層傾角可得到（21.4～21.7）m 的斷層滑動量。與T1、T3 洪積扇上的斷層不同，T5 洪積扇上斷層分為南、北支。北支斷層位于南支以北600 m 處。南支斷層陡坎高度為（16.4±0.2）m，與T3 上斷層陡坎高度近似。T5 洪積扇南支的斷層滑動量為（21.1～22.5）m，T5 洪積扇北支斷層陡坎高度僅為南支的1/2，為（8.2±0.3）m。由于T5 洪積扇北支斷層附近的基巖被第四紀的礫石遮蓋，北支的斷層面未出露，因此假設斷層傾角為30°～60°（Grützner 等，2017）。T5 洪積扇北支斷層滑動量為（9.5～18.9）m。自T5 洪積扇廢棄以來，斷層垂向上的位錯和斷層滑動量分別為（24.6±0.6）m和（30.6～41.4）m（圖6）。

圖6 勒塔干斷層陡坎地形剖面圖Fig. 6 Profile of the Latgan fault scarp

4 結論與討論

通過無人機航拍和野外勘探，將勒塔干背斜東段迪里克河附近的洪積扇分為5 期，從新到老分別為T1、T2、T3、T4、T5。其中T4 洪積扇的斷層滑動量與T5 洪積扇一致，T4、T5 洪積扇很可能是同時形成的次級洪積扇。自T4 洪積扇廢棄以來，斷層的滑動量為（33.0±2.6）m。晚第四紀以來勒塔干褶皺的地殼縮短速率為0.38 mm/a。通過比較天山南、北側褶皺縮短速率和天山內(nèi)部斷層縮短速率，可知天山內(nèi)部斷層縮短速率較小。

洪積扇、河流階地的形成與廢棄、氣候旋回息息相關（張培震等，1996；Huang 等，2019）。Huang 等（2019）通過宇宙成因核素的測年手段計算了焉耆盆地內(nèi)的洪積扇廢棄年齡，開展了天山地區(qū)首個系統(tǒng)性總結洪積扇廢棄年齡的工作。但考慮到Huang 等（2019）研究區(qū)與本研究區(qū)距離達上百公里，因此，本文未直接采用其研究成果。Hu 等（2021）測定了距勒塔干背斜僅30 km 處洪積扇的廢棄年齡，其中Fan1 洪積扇侵蝕程度較T5 洪積扇嚴重，海拔高度遠高于T5 洪積扇。因此，認為Hu 等（2021）研究中的Fan2、Fan6 洪積扇分別對應本研究的T5、T4 洪積扇。因此，T4 洪積扇廢棄年齡為（74.01±6.14）ka。結合前文研究可知自T4 洪積扇廢棄以來，勒塔干斷層滑動量為（33.0±2.6）m，勒塔干斷層滑動速率為（0.45±0.05）mm/a，勒塔干背斜地殼縮短速率為（0.37±0.04）mm/a。GPS 速度場顯示，沿博樂盆地天山的南北縮短速率為10 mm/a（Hu 等，2021），天山南北縮短量的3.7 %是由庫松木楔克斷層所吸收。相較于天山南、北側較快的縮短速率2～6 mm/a（Avouac 等，1993；Saint-Carlier 等，2016；），天山內(nèi)部的逆沖斷層滑動速率均相對較小，如巴音布魯克盆地北側的逆沖斷層縮短速率為0.04～0.25 mm/a，焉耆盆地北緣的哈爾莫墩褶皺地殼縮短速率為0.3 mm/a。庫米什盆地南、北側的庫米什斷層和包爾圖斷層的晚第四紀滑動速率分別為0.65、0.31 mm/a（Wang 等，2020b；Ren 等，2021）。